CN117665810B - 线性调频信号的电离层电子密度探测方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线电探测技术领域，具体涉及了一种线性调频信号的电离层电子密度探测方法、系统及设备，旨在解决现有的电离层电子密度结果的距离分辨率较低的问题。本发明包括：通过雷达采集的原始IQ数据；构建匹配滤波器并对原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；进行加窗信号的脉冲压缩处理，计算功率剖面；根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据。本发明在保证信噪比的前提下，探测的距离分辨率得到显著提升。
Description
技术领域
本发明属于无线电探测技术领域，具体涉及了一种线性调频信号的电离层电子密度探测方法、系统及设备。
背景技术
由于太阳紫外辐射、X射线光化离解和高能粒子撞击离解的作用，地球表面以上60km至1000km的大气层被部分电离，形成电离层，它上接磁层，下接中性层，属于近地空间的一部分。电离层不仅是地球生物避免宇宙射线直射的保护伞，也是空间天气的重要研究对象，它的状态直接影响着人类的生存、通信、卫星导航及航天器运行等活动。电子密度作为电离层的关键参数，是表征电离层状态的重要指标。探测电离层电子密度随时空的变化规律，是对自然环境和生存条件认知利用的关键组成，对了解和掌握空间环境信息、开展空间天气研究具有重要意义。
非相干散射雷达是如今最强大的电离层地基无线电监测设备，具有高功率、大孔径、低噪温的特点。当电离层中的自由电子受入射波作用发生汤姆孙散射后，会产生与入射电波同频的信号，该信号被大孔径的接收天线接收。回波信号的功率与电离层电子密度直接相关，通过功率可获取电离层电子密度，这是利用非相干散射雷达进行电离层探测的主要途径之一。然而传统方法采用的探测波形和处理得到的电离层电子密度结果的距离分辨率仅为公里级，要获得距离分辨率更高的结果，需要减少信号的脉冲宽度，这会导致探测能量降低，回波信噪比弱，不能满足电离层精细探测的需求。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有的电离层电子密度结果的距离分辨率较低的问题，本发明提供了一种线性调频信号的电离层电子密度探测方法，所述方法包括：
步骤S1，通过对雷达采集的二进制信号文件进行解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据；
步骤S2，基于所述雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；
步骤S3，基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
步骤S4，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
步骤S5，基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
步骤S6，基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据。
进一步的，所述步骤S1，具体包括：
设置兆级带宽的线性调频信号，由非相干散射雷达发射所述兆级带宽的线性调频信号并对电离层探测回波进行采样存储，用于处理得到电离层电子密度；
对所述电离层探测回波进行二进制信号文件解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据。
进一步的，所述步骤S3，具体包括：
将所述加窗信号与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面。进一步的，所述步骤S5，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，将对应帧数的功率剖面叠加后求均值，获得积累后的功率剖面；
将高度阈值为1000km以上的功率的中值作为背景噪声，去除积累后的功率剖面中的背景噪声，获得去噪功率剖面数据。
进一步的，所述步骤S6，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
本发明的另一方面，提出了一种线性调频信号的电离层电子密度探测系统，所述系统包括：
数据采集模块，配置为通过对雷达采集的二进制信号文件进行解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据；
数据整理模块，配置为雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；
脉冲压缩处理模块，配置为基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
功率积累模块，配置为基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
去噪模块，配置为基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
电离层电子密度解算模块，配置为基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据。
进一步的，所述脉冲压缩处理模块，具体为：
将所述加窗信号与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面。
进一步的，所述电离层电子密度解算模块，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
本发明的有益效果：
（1）相较于非相干散射雷达电离层电子密度探测中传统使用的巴克码、长脉冲，本发明采用线性调频信号进行电离层电子密度探测和数据处理，在保证信噪比的前提下，使得探测的距离分辨率得到显著提升。
（2）非相干散射雷达电离层探测回波强度微弱，需要长脉宽的探测信号提供强的探测能量，但脉宽越长，距离分辨率越差，无法满足精细探测的要求，本发明在电离层电子密度探测中设计使用了时域加窗处理和脉冲压缩技术，突破了信号时宽比限制，旁瓣抑制效果明显，实现了对微弱信号的有效获取，数据处理流程简单快捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明线性调频信号的电离层电子密度探测方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了更清晰地对本发明线性调频信号的电离层电子密度探测方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
本实施例以电离层探测为例，在探测区域布设非相干散射雷达，包含8320个收发组件，260个天线子阵面，峰值发射功率4MW，天线增益46dB。实时发射线性调频信号，接收电离层探测回波；雷达通过光纤将下变频、模数转换后的采样信号回传并汇集至上位机，上位机执行如步骤S1至步骤S6获得电离层电子密度数据。
本发明第一实施例的线性调频信号的电离层电子密度探测方法，包括步骤S1-步骤S6，各步骤详细描述如下：
步骤S1，通过对雷达采集的二进制信号文件进行解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据；
在本实施例中，所述步骤S1，具体包括：
设置兆级带宽的线性调频信号，由非相干散射雷达发射所述兆级带宽的线性调频信号并对电离层探测回波进行采样存储，用于处理获得电离层电子密度；
对所述电离层探测回波进行二进制信号文件解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据。所述雷达报文文件包含信号带宽和脉冲宽度；
步骤S2，雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；所述时域加窗处理为对采集信号加入汉明窗；
步骤S3，基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
在本实施例中，所述步骤S3，具体包括：
将所述加窗信号与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面。
步骤S4，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
步骤S5，基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
在本实施例中，所述步骤S5，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，将对应帧数的功率剖面叠加后求均值，获得积累后的功率剖面；
将高度阈值为1000km以上的功率的中值作为背景噪声，去除积累后的功率剖面中的背景噪声，获得去噪功率剖面数据。
步骤S6，基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据。
所述步骤S6，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本发明第二实施例的线性调频信号的电离层电子密度探测系统，所述系统包括：
数据采集模块，配置为通过雷达采集雷达报文文件和原始IQ数据；
数据整理模块，配置为雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；
脉冲压缩处理模块，配置为基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
在本实施例中，所述脉冲压缩处理模块，具体为：
将所述加窗信号与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面功率积累模块，配置为基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
去噪模块，配置为基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
电离层电子密度解算模块，配置为基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据。
在本实施例中，所述电离层电子密度解算模块，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的线性调频信号的电离层电子密度探测系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种线性调频信号的电离层电子密度探测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，通过对雷达采集的二进制信号文件进行解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据；
步骤S2，基于所述雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；
步骤S3，基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
所述步骤S3，具体包括：
对所述加窗信号，与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，/>，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面；
步骤S4，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
步骤S5，基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
步骤S6，基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据；
所述步骤S6，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
2.根据权利要求1所述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法，其特征在于，所述步骤S1，具体包括：
设置兆级带宽的线性调频信号，由非相干散射雷达发射所述兆级带宽的线性调频信号并对电离层探测回波进行采样存储，用于处理得到电离层电子密度；
对所述电离层探测回波进行二进制信号文件解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据。
3.根据权利要求1所述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法，其特征在于，所述步骤S5，基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，将对应帧数的功率剖面叠加后求均值，获得积累后的功率剖面；
将高度阈值为1000km以上的功率的中值作为背景噪声，去除积累后的功率剖面中的背景噪声，获得去噪功率剖面数据。
4.一种线性调频信号的电离层电子密度探测系统，其特征在于，所述系统包括：
数据采集模块，配置为通过对雷达采集的二进制信号文件进行解译，得到雷达报文文件和原始IQ数据；
数据整理模块，配置为基于所述雷达报文文件提供的发射信号脉冲宽度和带宽，构建匹配滤波器，并对所述原始IQ数据进行时域加窗处理，获得加窗信号；
脉冲压缩处理模块，配置为基于所述雷达报文文件、匹配滤波器和加窗信号，进行信号脉冲压缩处理，计算功率剖面；
所述脉冲压缩处理模块，具体为：
将所述加窗信号与匹配滤波器的函数进行卷积计算，获得脉冲压缩处理后的信号：
；
其中，为脉冲压缩处理后的信号，/>为原始IQ数据，/>为加汉明窗的原始IQ数据，/>为匹配滤波器的函数，/>，/>为从雷达报文文件获得的发射信号带宽，/>为从雷达报文文件获得的发射信号脉冲宽度，/>表示虚数，/>，t为时间；
计算脉冲压缩处理后的信号的模的平方，计算功率剖面；
功率积累模块，配置为基于所述功率剖面，根据预设的时间分辨率和信号脉冲重复周期，计算所需积累帧数，获得积累后的功率剖面；
去噪模块，配置为基于设定的高度阈值，对所述积累后的功率剖面进行噪声去除，获得去噪功率剖面数据；
电离层电子密度解算模块，配置为基于雷达的系统参数，构建求解电子密度的三阶方程，并通过所述求解电子密度的三阶方程，根据所述去噪功率剖面数据获得电离层电子密度数据；
所述电离层电子密度解算模块，具体为：
基于雷达的系统参数，在有德拜长度影响的条件下构建求解电子密度的三阶方程为：
；
其中，为电子温度，/>为离子温度，/>为原始电子密度，/>和/>为常量参数，，/>，/>为接收信号功率，/>为噪声功率，为斜距；雷达的系统参数包括：/>为发射峰值功率，/>为天线增益,/>为系统噪声温度,为信号波长，物理常量包括：/>为光速，/>为玻尔兹曼常数，/>为电子半径，/>为天线极化角，/>为真空中的介电常数，/>为电子电荷数，/>为雷达散射角即雷达波矢与接收波束的夹角；德拜长度影响与电子温度/>和原始电子密度/>相关。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求1-3任一项所述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求1-3任一项所述的线性调频信号的电离层电子密度探测方法。
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